Теоретические основы защиты окружающей среды. Охрана водного бассейна в металлургии. Учебное пособие

Сточные воды алюминиевых заводов

В процессе производства алюминия в качестве реагентов применяются едкий натр, известь, мазут. Поэтому сточные воды переработки бокситов и нефелинов имеют повышенную щелочность (рН 11…12) и содержат более 0,5 г/л солей алюминия в стоках с шламовых полей. Последние также имеют высокое солесодержание (до 8 г/л), а расходы их достигают 40…60 тыс. м3 в сутки.

Сточные воды гидрометаллургии цинка

На цинковых заводах наиболее значительны по расходам сточные воды от вельц-цеха, тушения клинкера (600…900 м3/сут) и стоки электролитного цеха (60…65 м3/сут). Основное загрязнение сточных вод – соединения цинка (10…75 мг/л по металлу), а также марганца

(до 10 мг/л).

Загрязненные сточные воды свинцово-цинковых заводов образуются в электролитном цехе, цехе выщелачивания и вельц-цехе. Их расходы изменяются от 100 до 6500 м3/сут (расходы общих стоков заводов от 8 до 40 тыс. м3/сут). Основные загрязняющие примеси: ионы цинка (в некоторых стоках до 2 г/л), свинец – до 15 мг/л, а также, в меньших концентрациях, ионы меди, никеля, кобальта, кадмия, соединения мышьяка и сурьмы.

Сточные воды гидрометаллургии никеля составляют общие стоки электролизного и рафинировочного цехов (6200…13300 м3/сут), а также фильтрат от фильтрации электролита (3700…4000 м3/сут) и стоки от разделения файнштейна (1300 м3/сут). Загрязнены они, в основном, ионами никеля (до 160 мг/л), имеют высокое солесодержание (до 180 г/л), обусловленное большим содержанием сульфатов

(до 90 г/л).

Сточные воды гидрометаллургии кобальта также имеют высокое солесодержание (до 70…75 г/л), которое обусловлено наличием как сульфатов (до 40 г/л), так и хлоридов (до 15 г/л). Основные загрязняющие компоненты в них – ионы никеля (до 130 мг/л), кобальта (до 3,5 мг/ л), железа – до 10 мг/л и «активный» хлор – до 5 мг/л.

Сточные воды электролитического рафинирования меди, расход которых незначителен (140…170 м3/сут), имеют кислую реакцию (рН 4…6) и сильно загрязнены сульфатами меди, никеля и железа, содержание которых составляет соответственно 100…250; 110…170

и 40…130 мг/л.

81

Сточные воды гидрометаллургического получения кадмия содер-

жат незначительные концентрации меди, свинца, цинка и кадмия, а

стоки гидрометаллургического получения сурьмы сильно загрязнены соединениями мышьяка (до 100 мг/л) и содержат незначительные количества свинца.

Сточные воды титано-магниевых заводов имеют сильно кислую реакцию (рН < 1…2) и сильно загрязнены. В них содержатся в значительных концентрациях грубодисперсные примеси (до 25 г/л), «активный» хлор (до 375 мг/л), хлорид-ионы (до 40 г/л), сульфаты (до 15 г/л), соли железа, меди, а также мышьяка, титана и фториды.

Типичными загрязняющими примесями сточных вод редкоме-

таллической промышленности являются соляная и фтористо-

водородная (плавиковая) кислоты. Содержание фторидов в стоках от некоторых технологических операций особенно велико и достигает 25 г/л. Кроме того, они содержат в значительных концентрациях соединения титана, соли железа, меди, аммония.

Очистка сточных вод гидрометаллургических производств цвет-

ной металлургии сводится, в основном, к их нейтрализации и удалению (извлечению) из них солей тяжелых металлов, фторидов, а также в некоторых случаях мышьяка и сурьмы. Методы и технологии очистки сточных вод от указанных веществ рассмотрены ранее в разд. 4.3.

4.6. Сточные воды заводов по обработке цветных металлов (ОЦМ)

Сточные воды образуются при химической и электрохимической обработке поверхностей изделий из цветных металлов и их сплавов: в процессах обезжиривания, травления, осветления, анодирования и др. Общие стоки заводов имеют кислую реакцию среды (рН3…5), повышенное солесодержание, незначительные концентрации грубодисперсных примесей (20…30 мг/л), загрязнены кислотами (в основном соляной и серной), солями тяжелых металлов, мг/л: железа – до 20, меди

5…25, цинка 10…30, свинца до 3, никеля 0,5…5, хрома– 0,2…0,3. Рас-

ходы сточных вод заводовОЦМ составляют1000…1500 м3/сут.

По расходу общие стоки состоят, в основном, из промывных, разбавленных сточных вод от операций промывки металлов после химической или электрохимической обработки их поверхностей, в которые периодически добавляются концентрированные отработанные технологические растворы и электролиты.

82

Очистка сточных вод заводов ОЦМ заключается в нейтрализации избыточной кислотности и удалении из них соединений тяжелых металлов. Методы и технологии, которыми достигается такая очистка, рассмотрены в разд. 4.3.

Для снижения нагрузки на очистные сооружения, повышения эффективности очистки и экономии химикатов (кислот, щелочей) отработанные технологические растворы и электролиты подлежат регенерации. При этом наиболее широко применяются электрохимические технологии, которые предусматривают электроосаждение металлов на катоде и возврат очищенной воды на повторное использование. Катодные металлы в ряде случаев получаются высокой чистоты и могут быть утилизированы.

83

5.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

ВСИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ. ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

5.1.Основные принципы создания замкнутых систем водопользования

Наиболее эффективный способ защиты водных объектов от загрязнения сточными водами промышленных предприятий заключается в создании замкнутых систем оборотного водоснабжения и переходе на бессточный режим водоиспользования, лучше всего отвечающий задаче сохранения природныхресурсов и защитеокружающей среды.

При переходе на бессточные системы должен учитываться техни- ко-экономический фактор. Достижение бессточности любыми средствами может привести к непомерным капитальным и эксплуатационным расходам. Поэтому проектированию систем водного хозяйства с переходом на бессточный режим водоиспользования должен предшествовать ряд мероприятий, направленных на максимальное внедрение безводных или маловодных технологических процессов производства, сокращение объемов водопотребления, количества сточных вод и утилизацию уловленных из сточных вод продуктов.

Под замкнутой системой водного хозяйства предприятия понимается такая система водопользования, при которой основными источниками водоснабжения являются очищенные производственные, бытовые и поверхностные сточные воды при исключении образования отходов и сброса сточных вод в водоемы.

Свежая вода в этих случаях используется только на восполнение потерь воды в системах, объем которых превышает количество очищенных производственных, бытовых и поверхностных сточных вод предприятия. Коэффициент использования свежей (забранной) воды

вэтом случае равен 100 %.

Вмалоотходном производстве при отведении сточных вод в водоем система водного хозяйства предприятия оценивается коэффициентом использования свежей воды и коэффициентом использования воды в обороте, определяемым по формуле

где Qсв и Qоб – соответственно количество свежей воды, забираемой из источника, и оборотной воды, м3/ч.

84

Основными принципами создания замкнутых систем водного хозяйства промышленных объектов являются:

–применение новых, более совершенных технологических процессов производства товарного продукта, обеспечивающих максимально полную комплексную переработку сырьевых ресурсов, снижение водопотребления технологических процессов, создание локальных замкнутых систем технического водоснабжения, сокращение количества и загрязненности отводимых сточных вод, очистка которых для повторного использования может быть осуществлена экономичными методами;

–использование в качестве основного источника водоснабжения очищенных производственных, бытовых и поверхностных сточных вод, создание единой системы водного хозяйства, включающей водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод как подготовку их для повторного использования;

–создание технически и экономически рациональной системы использования воды, включающей локальные технологические замкнутые системы водопользования и беспродувочную оборотную систему охлаждающего водоснабжения с соответствующей очисткой и подготовкой (стабилизацией) оборотных и продувочных вод;

–применение для очистки сточных вод методов, обеспечивающих извлечение и утилизацию ценных компонентов и необходимое качество очищенных сточных вод как по технологическим, так и по гигиеническим показателям, а также доведение образующихся отходов до товарного продукта или вторичного сырья.

В этом случае эффективность использования воды в производстве определяется коэффициентом использования воды в обороте, опре-

деляемым по формуле (5.1), куда вместо Qсв подставляется расход добавочной воды в системе на компенсацию безвозвратных потерь

(Qдоб), и коэффициентом использования добавочной воды (Кдоб), представляющей очищенные сточные воды:

Коб Qоб(Qоб Qдоб) 100 ,

производственные (Qпр), бытовые (Qбыт), поверхностные (Qпов) и городские (Qгор):

Kдоб (Qпр Qбыт Qпов Qгор) Qсбр(Qпр Qбыт Qпов Qгор) 100.

85

Проектирование систем водного хозяйства предприятий ведется одновременно с проектированием основного технологического процесса производства.

5.2. Элементы замкнутых систем водопользования

Вода в производстве выполняет много функций – используется в качестве промышленного сырья, охлаждающего и транспортирующего агента, экстрагента и растворителя, реакционной и поглощающей среды, компонента энергетических систем.

Использованию воды в производстве должна предшествовать технико-экономическая оценка безводной технологии.

При использовании воды в качестве растворителя необходимо рассмотрение условий и возможности ее регенерации.

Значительное количество воды в промышленности расходуется в качестве экстрагента для промывки сырья, полупродукта и продукта, для очистки газовых выбросов и твердых отходов.

При использовании воды для промывок необходимо применение противоточного, ступенчатого режима при минимальном потреблении свежей воды на последней стадии и выводе из системы концентрированных промывных вод, которые должны направляться на восполнение потерь технологических растворов или регенерирование и переработку.

Использование воды для очистки газов от растворимых органических и минеральных веществ допустимо, если из газов водой извлекаются и утилизируются ценные компоненты; в случае использования воды для очистки газов от твердых частиц (пыли) процесс целесообразно осуществлять в замкнутом цикле. При этом для очистки воздуха от пыли необходимо рассматривать целесообразность применения сухих методов очистки.

При использовании воды в качестве охлаждающего агента необходима предварительная технико-экономическая оценка возможности и целесообразности:

–рекуперации тепла технологических жидкостей и растворов;

–утилизации отводимого высокотемпературного тепла для получения пара;

–утилизации отводимого тепла газообразным, жидким и твердым сырьем;

–передачи избыточного тепла на соседние предприятия и в городское хозяйство;

86

–использования климатических особенностей места расположения предприятия;

–применения воздушно-испарительного, двухконтурного испарительного и воздушного охлаждения;

–применения холодильных установок.

Оборотные системы охлаждающего водоснабжения могут быть локальными или централизованными. Выбор той или иной системы зависит от материала и условий работы охлаждающего оборудования, физико-химических свойств охлаждаемого продукта, протяженности коммуникаций. В процессе работы охлаждающая вода может загрязняться охлаждаемыми продуктами. Система охлаждения при работе в беспродувочном режиме требует специальных методов обработки воды, ее стабилизации с целью предотвращения биологических обрастаний, отложений и коррозии оборудования; совершенствования конструкций водоуловителей для снижения капельного выноса влаги (до 0,5–1 %). Выносимый из градирен гидроаэрозоль не должен вносить в атмосферу токсичных компонентов оборотной воды в количествах, превышающих их ПДК в воздухе промышленной и селитебной зон.

Использованию воды в качестве транспортирующего агента должен предшествовать анализ возможности применения механического или пневматического транспортирования пыли, шламов, шлаков, золы и т.п. При необходимости использования для этой цели воды систему следует проектировать замкнутой. Поскольку к оборотной воде систем гидротранспорта не предъявляется высоких требований, целесообразно использовать в них воду из других систем.

5.3. Пути создания замкнутых систем водопользования

Основой замкнутых систем водопользования являются локальные замкнутые системы технического водоснабжения. Чаще всего это использование воды в замкнутом цикле в одной и той же технологической операции.

Централизованные замкнутые системы технического водопользования предполагают использование очищенных сточных вод в нескольких технологических операциях.

Замкнутые системы охлаждающего водоснабжения могут быть как локальными (для отдельных цехов), так и централизованными (для всего предприятия в целом).

87

В металлургической промышленности, с точки зрения экономии свежей воды, предпочтение следует отдавать технологическим процессам получения стали, исключающим доменные процессы и производство кокса. Таким, например, как получение стали электрометаллургией с использованием в качестве сырья металлизированных окатышей и кусковой руды. Внедрение такой технологии позволяет сократить расход воды на 30–35 % в расчете на 1 т стали и предотвратить образование некоторых наиболее загрязненных сточных вод (от газоочисток доменного газа, коксохимического производства и т.д.).

Совершенствование основных технологических процессов в отдельных производствах, таких, как сухая очистка агломерационных и доменных газов, пневмотранспорт и окомкование сухой пыли от газоочисток мартенов, уловленной в электрофильтрах, может привести к существенному сокращению сточных вод и облегчить задачу перехода на бессточные системы водопользования.

Переход на бессточный режим водопользования невозможен на предприятиях с устаревшими технологией и техникой основного производства, а также на заводах, не имеющих внутрицеховых устройств для первичной очистки сточных вод от крупной окалины и сетей для раздельного отведения кислых и щелочных, концентрированных и разбавленных промывных вод.

Создавая бессточные системы, необходимо, прежде всего, учитывать все возможности полного использования воды и шламов внутри данного вида производства.

При создании бессточных системиспользования воды необходимы:

1)внедрение эффективных схем глубокой очистки сточных вод до нормативов, устанавливаемых для чистых вод охлаждения;

2)совершенствование способов стабилизационной обработки воды с целью максимального сокращения или полного устранения сброса воды (продувки) из оборотного цикла, устранения накипеобразования и коррозии в охлаждаемых элементах и по тракту движения воды;

3)использование экономичных схем опреснения минерализованных вод;

4)автоматизация процессов очистки сточных вод, управления подачи и распределения воды по водопотребителям.

88

5.4. Предотвращение отложений и коррозии в системах оборотного водоснабжения, стабилизационная обработка оборотной воды

Оборотные системы водоснабжения на металлургических предприятиях подразделяются на две группы:

1)системы, в которых циркулирует чистая вода, – условно чистые;

2)системы с циркулирующими очищенными сточными водами – так называемые загрязненные циклы.

Опыт эксплуатации систем газоочисток показывает, что аппараты

итрубопроводы этих систем зарастают плотными солевыми отложениями. Из-за образования таких отложений возникают серьезные осложнения при работе оборотных систем водоснабжения газоочисток доменных печей, конвертеров, агломерационных фабрик, электроферросплавных печей, использующих воду в замкнутых циклах. Толщина отложений бывает настолько велика, что вызывает нарушения работы агрегатов, снижает их производительность и часто служит причиной внеплановых остановок печей для очистки аппаратов газоочисток от отложений; в ряде случаев интенсивные отложения вынуждают отказываться от оборотных систем водоснабжения.

Установлено, что отложения состоят, в основном, из карбоната и сульфата кальция. В системах оборотного водяного охлаждения теплонагруженных деталей (в чистых циклах) образуются преимущест-

венно отложения СаСО3. Причиной их возникновения является сдвиг углекислотного равновесия под воздействием повышенной температуры:

to

Ca(HCO3 )2 CaCO3 H2O CO2

В аппаратах очистки газов аглофабрик причиной отложений является взаимодействие кислых компонентов газов с гидроксидом кальция с образованием труднорастворимых карбоната и сульфита кальция:

Ca(OH)2 CO2 CaCO3 H2O ;

Ca(OH)2 SO2 CaSO3 H2O ;

CaCO3 SO2 CaSO3 CO2 .

Напорные трубопроводы зарастают отложениями СаСО3, образующимисяпри устранении временной жесткости подпиточной воды:

Ca(HCO3 )2 Ca(OH)2 2CaCO3 H2O .

89

Разнообразие причин образования отложений в системах водоснабжения предопределяет использование различных методов их предотвращения.

5.4.1. Стабилизационная обработка воды в условно чистых циклах водоснабжения

Условно чистые циклы водоснабжения в зависимости от температурного режима подразделяются на две категории:

1)низкотемпературные, при температуре нагрева воды не выше

50 С и отсутствии зон местного кипения – при охлаждении жидкостей и газов в теплообменниках (ТЭЦ, масло- и воздухоохладители компрессоров кислородных станций и др.);

2)с зонами местного кипения – при охлаждении металлургических агрегатов и оборудования (деталей нагревательных, электро- и доменных печей, подшипников и т.д.) с помощью трубчатых холодильников.

Требования к качеству охлаждающей воды зависят от назначения систем водоснабжения. Вода, используемая в условно чистых циклах, не должна содержать сероводорода, концентрация железа должна быть ≤ 0,3 мг/л, карбонатная жесткость ≤ 2…3 мг-экв/л, взвешенные вещества ≤ 50 мг/л. В условно чистых циклах охлаждающая вода не должна выделять карбонатных отложений, вызывать коррозию и способствовать биологическим обрастаниям теплообменных аппаратов. Склонность природной воды к образованию карбонатных отложений либо к углекислотной коррозии зависит от величины рН и солевого состава. С понижением рН интенсивность отложений уменьшается. Для обеспечения стабильности воды рН необходимо поддерживать в пределах 6…7. При рН < 6 наблюдается усиление коррозии; при рН > 7 – интенсификация образования отложений.

Для предотвращения отложений применяются различные способы обработки воды в условно чистых циклах: подкисление, фосфатная обработка, обработка комплексообразующими агентами.

Для предотвращения карбонатных отложений в практике наибо-

лее широко применяется метод подкисления серной кислотой. Под-

кисление снижает временную жесткость, предотвращая образование карбонатных отложений при последующем использовании воды в системах водоснабжения. Для подкисления обычно используют серную кислоту:

Ca(HCO3 )2 H2SO4 CaSO4 2H2O 2CO2 .

90